Туннельным называется полупроводниковый диод, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда через p-n переход в прямом направлении, и на ВАХ которого формируется область отрицательного динамического сопротивления.
Туннельные диоды отличаются очень малым удельным сопротивлением p и n областей (содержание примесей до 1021 1/см3) и весьма малой толщиной p-n перехода.
Концентрация примесей в p и n областях столь высока, что уровень Ферми располагается внутри валентной зоны области p и внутри зоны проводимости области n соответственно, т.е. значения энергии электронов, соответствующих данным энергетическим уровням, эквивалентны (рис. а). В результате p-n переход представляет собой вырожденный полупроводник, поскольку, как и в металле, электрон из n области беспрепятственно может перейти в смежную p область, заняв свободный уровень в примесной акцепторной зоне с такой же энергией и наоборот. При отсутствии внешнего смещения потоки носителей в обоих направлениях равны, и результирующий ток через переход равен нулю.
Если к переходу приложить небольшое прямое напряжение, то высота потенциального барьера и перекрытие зон уменьшаются.
Поскольку количество электронов, энергия которых превышает уровень Ферми, невелико, поток электронов из валентной зоны p области в зону проводимости n области уменьшается, а обратный ток увеличивается. Появляется результирующий ток через переход, который увеличивается с ростом прямого напряжения (участок 0-1 ВАХ). Максимальный результирующий ток через переход соответствует случаю, когда уровень Ферми совпадает с потолком валентной зоны, при этом приложенное напряжение соответствует величине U1.
При дальнейшем увеличении прямого напряжения уменьшается перекрытие зон и уменьшается число электронов, перешедших из зоны проводимости в валентную зону p области. Прямой ток уменьшается (участок отрицательного дифференциального сопротивления 1-2). При напряжении, равном по величине U2, перекрытие зон исчезает, запрещенная зона становится «сквозной», и туннельный ток прекращается. Это соответствует минимуму тока туннельного диода.
Дальнейшее увеличение прямого напряжения уменьшает высоту потенциального барьера и в результате инжекции возрастает диффузионный прямой ток, величина которого экспоненциально зависит от приложенного напряжения (участок 2-3).
Если к диоду приложить обратное напряжение, то туннельный поток электронов из валентной зоны p области в зону проводимости n области увеличивается. Обратный туннельный ток резко возрастает с увеличением обратного напряжения, и обратное сопротивление туннельного диода весьма мало. Поскольку прибор выполнен из высоколегированных полупроводниковых материалов, он характеризуется достаточно низким напряжением пробоя и чувствителен к потенциалу статического электричества.
Наличие участка отрицательного динамического сопротивления позволяет использовать туннельные диоды в качестве активных элементов в генераторных и логических схемах.
Основными характеристиками туннельного диода являются:
- ток максимума Imax;
- ток минимума Imin;
- напряжение пика U1;
- напряжение U2, соответствующее току минимума;
- максимальный прямой ток;
- напряжение, соответствующее максимальному прямому току;
- постоянное обратное напряжение при предельном обратном токе;
- емкость диода.
Разновидностью туннельного диода являются обращенные диоды. Их особенность – практическое отсутствие участка с отрицательным сопротивлением на прямой ветви ВАХ. В таком диоде прямую ветвь ВАХ можно считать обратной и наоборот. Обращенный диод имеет значительно меньшее прямое напряжение, чем обычные диоды и может быть применен для выпрямления малых напряжений.